BR112022009175B1

BR112022009175B1 - METHOD FOR DETECTING CONDITIONS LIKELY TO CAUSE QUENCH IN SUPERCONDUCTING MAGNETS AND HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING MAGNET SYSTEM

Info

Publication number: BR112022009175B1
Application number: BR112022009175-3A
Authority: BR
Inventors: Robert Slade; Rod Bateman
Original assignee: Tokamak Energy Ltd
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2024-05-21

Abstract

DETECÇÃO DE QUENCH BASEADA EM TENSÃO OU CAMPO MAGNÉTICO. A presente invenção refere-se a um método de detecção de condições de "pré-quench" em um imã supercondutor compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo compreende uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor conectando as voltas de forma que a corrente possa ser compartilhada radialmente entre as voltas através do material condutor. A tensão é monitorada para a bobina de campo de HTS e/ou estruturas de suporte da bobina de campo de HTS. A tensão monitorada é comparada a uma tensão esperada durante a operação normal do ímã. Em resposta à comparação, é determinado se a bobina de campo está em condições de "pré-quench". Um método similar é fornecido onde o campo magnético da bobina de campo de HTS é monitorado para detectar condições de "pré-quench", ao invés da tensãoQUENCH DETECTION BASED ON VOLTAGE OR MAGNETIC FIELD. The present invention relates to a method of detecting "prequench" conditions in a superconducting magnet comprising an HTS field coil. The field coil comprises a plurality of turns comprising HTS material and metal stabilizer; and conductive material connecting the turns so that current can be shared radially between the turns through the conductive material. Voltage is monitored for the HTS field coil and/or HTS field coil support structures. The monitored voltage is compared to a voltage expected during normal magnet operation. In response to the comparison, it is determined whether the field coil is in a "prequench" condition. A similar method is provided where the magnetic field of the HTS field coil is monitored to detect "pre-quench" conditions, rather than the voltage

Description

Field of Invention

[0001] A presente invenção refere-se à detecção de quench em sistemas magnéticos supercondutores de alta temperatura, e, em particular, aos métodos de detecção de quench, e sistemas magnéticos configurados para implementar os métodos.[0001] The present invention relates to quench detection in high-temperature superconducting magnetic systems, and, in particular, to quench detection methods, and magnetic systems configured to implement the methods.

Background

[0002] O desafio de produzir energia de fusão é extremamente complexo. Muitos dispositivos alternativos além dos tokamaks foram propostos, embora nenhum ainda tenha produzido resultados comparáveis com os melhores tokamaks atualmente em operação, como o JET.[0002] The challenge of producing fusion energy is extremely complex. Many alternative devices besides tokamaks have been proposed, although none have yet produced results comparable to the best tokamaks currently in operation, such as JET.

[0003] A pesquisa mundial de fusão entrou em uma nova fase após o início da construção do ITER, a maior e mais cara (c15 bilhões de euros) tokamak já construída. O caminho bem-sucedido para um reator de fusão comercial exige pulso longo, operação estável combinada com a alta eficiência necessária para tornar econômica a produção de eletricidade. Estas três condições são especialmente difíceis de alcançar simultaneamente, e o programa planejado exigirá muitos anos de pesquisa experimental sobre o ITER e outras instalações de fusão, bem como pesquisa teórica e tecnológica. É amplamente previsto que um reator de fusão comercial desenvolvido através desta rota não será construído antes de 2050.[0003] Worldwide fusion research entered a new phase following the start of construction of ITER, the largest and most expensive (c15 billion euros) tokamak ever built. The successful path to a commercial fusion reactor requires long pulse, stable operation combined with the high efficiency needed to make electricity production economical. These three conditions are especially difficult to achieve simultaneously, and the planned program will require many years of experimental research on ITER and other fusion facilities, as well as theoretical and technological research. It is widely predicted that a commercial fusion reactor developed via this route will not be built before 2050.

[0004] Para obter as reações de fusão necessárias para a geração econômica de energia (ou seja, muito mais energia fora do que dentro), o tokamak convencional tem que ser enorme (como exemplificado pelo ITER) para que o tempo de confinamento de energia (que é apro- ximadamente proporcional ao volume de plasma) possa ser suficientemente grande para que o plasma possa estar quente o suficiente para que a fusão térmica ocorra.[0004] To obtain the fusion reactions necessary for economical energy generation (i.e. much more energy outside than inside), the conventional tokamak has to be huge (as exemplified by ITER) so that the energy confinement time (which is approximately proportional to the volume of plasma) can be large enough that the plasma can be hot enough for thermal fusion to occur.

[0005] O WO 2013/030554 descreve uma abordagem alternativa, envolvendo o uso de um tokamak esférico compacto para uso como fonte de nêutrons ou fonte de energia. A baixa relação de aspecto da forma de plasma em um tokamak esférico melhora o tempo de confi- namento das partículas e permite a geração de energia líquida em uma máquina muito menor. Entretanto, uma coluna central de pequeno diâmetro é uma necessidade, o que apresenta desafios para o projeto do ímã de confinamento de plasma. As bobinas de campo de supercondutores de alta temperatura (HTS) são uma tecnologia promissora para tais ímãs.[0005] WO 2013/030554 describes an alternative approach, involving the use of a compact spherical tokamak for use as a neutron source or energy source. The low aspect ratio of the plasma form in a spherical tokamak improves particle confinement time and allows net power generation in a much smaller machine. However, a small diameter central column is a necessity, which presents challenges for plasma confinement magnet design. High-temperature superconductor (HTS) field coils are a promising technology for such magnets.

[0006] Os materiais supercondutores são tipicamente divididos em "supercondutores de alta temperatura" (HTS) e "supercondutores de baixa temperatura" (LTS). Os materiais de LTS, como Nb e NbTi, são metais ou ligas metálicas cuja supercondutividade pode ser descrita pela teoria de BCS. Todos os supercondutores de baixa temperatura têm uma temperatura crítica (a temperatura acima da qual o material não pode ser supercondutor mesmo em campo magnético zero) abaixo de cerca de 30K. O comportamento do material de HTS não é descrito pela teoria de BCS, e tais materiais podem ter temperaturas críticas acima de cerca de 30K (embora deva ser observado que são as diferenças físicas na operação e composição dos supercondutores, e não a temperatura crítica, que definem o material de HTS e LTS). Os HTS mais comumente usados são os "supercondutores cuprate" - cerâmicas baseadas em cuprates (compostos contendo um grupo de óxido de cobre), tais como BSCCO, ou ReBCO (onde Re é um elemento de terra rara, comumente Y ou Gd). Outros materiais de HTS incluem pnictídeos de ferro (por exemplo, FeAs e FeSe) e diborato de magnésio (MgB2).[0006] Superconducting materials are typically divided into "high temperature superconductors" (HTS) and "low temperature superconductors" (LTS). LTS materials, such as Nb and NbTi, are metals or metal alloys whose superconductivity can be described by BCS theory. All low-temperature superconductors have a critical temperature (the temperature above which the material cannot be superconducting even in zero magnetic field) below about 30K. HTS material behavior is not described by BCS theory, and such materials can have critical temperatures above about 30K (although it should be noted that it is physical differences in the operation and composition of superconductors, not the critical temperature, that define HTS and LTS material). The most commonly used HTS are "cuprate superconductors" - ceramics based on cuprates (compounds containing a copper oxide group), such as BSCCO, or ReBCO (where Re is a rare earth element, commonly Y or Gd). Other HTS materials include iron pnictides (e.g., FeAs and FeSe) and magnesium diborate (MgB2).

[0007] A ReBCO é normalmente fabricada como fitas, com uma estrutura como mostrado na Figura 1. Tal fita 100 é geralmente de aproximadamente 100 mícrons de espessura, e inclui um substrato 101 (tipicamente hastelloy eletropolido de aproximadamente 50 mí- crons de espessura), sobre o qual é depositado pelo IBAD, pulverização com magnetron, ou outra técnica adequada uma série de camadas tampão conhecida como pilha tampão 102, de espessura aproximada de 0,2 mícrons. Uma camada epitaxial de ReBCO-HTS 103 (depositada por MOCVD ou outra técnica adequada) sobrepõe a pilha de tampão, e tem normalmente 1 mícron de espessura. Uma camada de prata de 1-2 mícron 104 é depositada sobre a camada de HTS por pulverização ou outra técnica adequada, e uma camada estabilizadora de cobre 105 é depositada sobre a fita por galvanoplastia ou outra técnica adequada, que muitas vezes encapsula completamente a fita.[0007] ReBCO is typically manufactured as tapes, with a structure as shown in Figure 1. Such tape 100 is generally approximately 100 microns thick, and includes a substrate 101 (typically electropolished hastelloy approximately 50 microns thick). , upon which a series of buffer layers known as buffer stack 102, approximately 0.2 microns thick, is deposited by IBAD, magnetron spraying, or other suitable technique. An epitaxial layer of ReBCO-HTS 103 (deposited by MOCVD or other suitable technique) overlies the buffer stack, and is typically 1 micron thick. A 1-2 micron layer of silver 104 is deposited over the HTS layer by spraying or other suitable technique, and a stabilizing layer of copper 105 is deposited over the tape by electroplating or other suitable technique, which often completely encapsulates the tape .

[0008] O substrato 101 fornece uma espinha dorsal mecânica que pode ser alimentada através da linha de fabricação e permite o crescimento das camadas subsequentes. A pilha tampão 102 é necessária para fornecer um modelo cristalino de textura biaxial sobre o qual cresce a camada de HTS, e evita a difusão química de elementos do substrato para o HTS que danificam suas propriedades supercondutoras. A camada de prata 104 é necessária para fornecer uma interface de baixa resistência do ReBCO para a camada estabilizadora, e a camada estabilizadora 105 fornece um caminho de corrente alternativo no caso de qualquer parte do ReBCO cessar a supercondução (entra no estado "normal").[0008] Substrate 101 provides a mechanical backbone that can be fed through the manufacturing line and allows subsequent layers to grow. The buffer stack 102 is necessary to provide a biaxially textured crystal template upon which the HTS layer grows, and prevents chemical diffusion of elements from the substrate into the HTS that damage its superconducting properties. The silver layer 104 is necessary to provide a low-resistance interface from the ReBCO to the stabilizer layer, and the stabilizer layer 105 provides an alternative current path in the event that any part of the ReBCO ceases superconducting (enters the "normal" state) .

[0009] Além disso, a fita de HTS "esfoliada" pode ser fabricada, que carece de um substrato e de uma pilha tampão e, em vez disso, tem camadas prateadas em ambos os lados da camada de HTS. A fita que tem um substrato será chamada de fita de HTS "substanciada".[0009] Additionally, "exfoliated" HTS tape can be manufactured, which lacks a substrate and a buffer stack and instead has silver layers on both sides of the HTS layer. The strand that has a substrate will be called the "substantiated" HTS strand.

[0010] As fitas de HTS podem ser dispostas em cabos de HTS. Um cabo de HTS compreende uma ou mais fitas de HTS, que são conectadas ao longo de seu comprimento através de material condutor (normalmente cobre). As fitas de HTS podem ser empilhadas (ou seja, dispostas de forma que as camadas de HTS sejam paralelas), ou podem ter alguma outra disposição de fitas, que pode variar ao longo do comprimento do cabo. Os casos especiais notáveis de cabos de HTS são fitas de HTS simples, e pares de HTS. Os pares de HTS compreendem um par de fitas de HTS, dispostas de tal forma que as camadas de HTS são paralelas. Quando a fita adesiva é usada, os pares de HTS podem ser do tipo 0 (com as camadas de HTS voltadas uma para a outra), tipo 1 (com a camada de HTS de uma fita voltada para o substrato da outra), ou tipo 2 (com os substratos voltados uma para a outra). Cabos com mais de 2 fitas podem organizar algumas ou todas as fitas em pares de HTS. As fitas de HTS empilhadas podem compreender vários arranjos de pares de HTS, mais comumente uma pilha de pares tipo 1 ou uma pilha de pares tipo 0 e (ou, equivalentemente, pares tipo 2). Os cabos de HTS podem ser compostos por uma mistura de fita adesiva subcoberta e esfoliada.[0010] HTS tapes can be arranged in HTS cables. An HTS cable comprises one or more HTS ribbons, which are connected along its length via conductive material (typically copper). HTS tapes may be stacked (i.e., arranged so that the HTS layers are parallel), or they may have some other tape arrangement, which may vary along the length of the cable. Notable special cases of HTS cables are single HTS ribbons, and HTS pairs. The HTS pairs comprise a pair of HTS strands, arranged such that the HTS layers are parallel. When adhesive tape is used, HTS pairs can be type 0 (with the HTS layers facing each other), type 1 (with the HTS layer of one tape facing the substrate of the other), or type 2 (with the substrates facing each other). Cables with more than 2 ribbons may organize some or all of the ribbons into HTS pairs. Stacked HTS tapes may comprise various arrangements of HTS pairs, most commonly a stack of type 1 pairs or a stack of type 0 pairs and (or, equivalently, type 2 pairs). HTS cables can be composed of a mixture of undercovered and exfoliated adhesive tape.

[0011] Um tipo comum de bobina de HTS é uma "pancake coil", onde os cabos de HTS 201 são enrolados para formar uma bobina plana, de forma semelhante a um carretel de fita. As bobinas de pancake podem ser produzidas com um perímetro interno que tenha qualquer forma bidimensional. Muitas vezes, as bobinas de pancake são fornecidas como uma "bobina de pancake dupla", que compreende duas bobinas de pancake enroladas em sentido oposto, com isolamento entre as bobinas de pancake, e com os terminais internos conectados entre si. Isto significa que a tensão só precisa ser fornecida aos terminais externos que são geralmente mais acessíveis, para acionar a corrente através das voltas da bobina e gerar um campo magnético.[0011] A common type of HTS coil is a "pancake coil", where the HTS 201 cables are wound to form a flat coil, similar in shape to a ribbon spool. Pancake coils can be produced with an internal perimeter that has any two-dimensional shape. Pancake coils are often supplied as a "double pancake coil", which comprises two pancake coils wound oppositely, with insulation between the pancake coils, and with the internal terminals connected together. This means that voltage only needs to be supplied to the external terminals which are generally more accessible, to drive current through the turns of the coil and generate a magnetic field.

[0012] As bobinas de HTS podem ser "isoladas" - tendo material isolante elétrico entre as voltas da bobina, ou "não isoladas", onde as voltas da bobina são eletricamente conectadas radialmente, assim como ao longo dos cabos (por exemplo, conectando as camadas estabilizadoras de cobre dos cabos por solda ou por contato direto). Além disso, as bobinas podem ser "parcialmente isoladas" - ou seja, ter uma camada entre as bobinas com uma resistência intermediária entre os isoladores usados para uma bobina isolada, ou os metais que unem os cabos de uma bobina não isolada. Por exemplo, o isolado parcial pode ser uma camada mais grossa de um metal de resistência relativamente alta, ou um semicondutor, ou uma camada composta construída para dar uma resistência relativamente alta. Alternativamente, bobinas parcialmente isoladas podem ser formadas fornecendo outros caminhos radiais de corrente produzidos de material condutor - por exemplo, na lateral da bobina de campo.[0012] HTS coils can be "insulated" - having electrical insulating material between the coil turns, or "uninsulated", where the coil turns are electrically connected radially as well as along the cables (e.g., connecting the copper stabilizing layers of the cables by soldering or direct contact). Additionally, the coils can be "partially insulated" - that is, have a layer between the coils with a resistance intermediate between the insulators used for an insulated coil, or the metals joining the leads of an uninsulated coil. For example, the partial isolate may be a thicker layer of a relatively high resistance metal, or a semiconductor, or a composite layer constructed to give relatively high resistance. Alternatively, partially insulated coils can be formed by providing other radial current paths produced from conductive material - for example, on the side of the field coil.

summary

[0013] De acordo com um primeiro aspecto, é fornecido um méto do para detectar condições de pré-quenchem um ímã supercondutor compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo compreende uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor conectando as voltas de forma que a corrente possa ser compartilhada radialmente entre as voltas através do material condutor. A tensão é monitorada para a bobina de campo de HTS e/ou estruturas de suporte da bobina de campo de HTS. A tensão monitorada é comparada a uma tensão esperada durante a operação normal do ímã. Em resposta à comparação, é determinado se a bobina de campo está em condições de pré-quench.[0013] According to a first aspect, a method is provided for detecting prequench conditions in a superconducting magnet comprising an HTS field coil. The field coil comprises a plurality of turns comprising HTS material and metal stabilizer; and conductive material connecting the turns so that current can be shared radially between the turns through the conductive material. Voltage is monitored for the HTS field coil and/or HTS field coil support structures. The monitored voltage is compared to a voltage expected during normal magnet operation. In response to the comparison, it is determined whether the field coil is in prequench condition.

[0014] De acordo com um segundo aspecto, é fornecido um méto do para detectar condições de pré-quench em um ímã supercondutor compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo compreende uma pluralidade de voltas compreendendo material de HTS e estabilizador metálico; e um material condutor que conecta as voltas de forma que a corrente possa ser compartilhada radialmente entre as voltas através do material condutor. Um campo magnético da bobina de campo de HTS é monitorado. O campo magnético monitorado é comparado a um campo magnético esperado durante a operação normal do ímã. Em resposta a esta comparação, é determinado se a bobina de campo está em condições de pré-quench.[0014] According to a second aspect, a method for detecting pre-quench conditions in a superconducting magnet comprising an HTS field coil is provided. The field coil comprises a plurality of turns comprising HTS material and metal stabilizer; and a conductive material that connects the turns so that current can be shared radially between the turns through the conductive material. A magnetic field from the HTS field coil is monitored. The monitored magnetic field is compared to a magnetic field expected during normal operation of the magnet. In response to this comparison, it is determined whether the field coil is in prequench condition.

[0015] De acordo com um terceiro aspecto, é fornecido um sistema supercondutor de alta temperatura, HTS, ímã que compreende uma bobina de campo HTS. A bobina de campo de HTS compreende uma pluralidade de voltas que compreende material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor que conecta as voltas, de tal forma que a corrente pode ser compartilhada entre as voltas através do material condutor. O sistema magnético de HTS compreende ainda um sistema de proteção de quench e um ou mais sensores de tensão localizados na bobina de campo de HTS ou em um suporte estrutural da bobina de campo de HTS. O sistema de proteção de quench é configurado para monitorar as medições de tensão de um ou mais sensores de tensão; comparar as medições de tensão com uma tensão esperada durante a operação normal do ímã; e em resposta a esta comparação, determinar se a bobina de campo está em condições de pré-quench.[0015] According to a third aspect, a high temperature superconducting, HTS, magnet system comprising an HTS field coil is provided. The HTS field coil comprises a plurality of turns comprising HTS material and metal stabilizer; and conductive material that connects the turns, such that current can be shared between the turns through the conductive material. The HTS magnetic system further comprises a quench protection system and one or more voltage sensors located on the HTS field coil or on a structural support of the HTS field coil. The quench protection system is configured to monitor voltage measurements from one or more voltage sensors; compare voltage measurements to a voltage expected during normal magnet operation; and in response to this comparison, determine whether the field coil is in prequench condition.

[0016] De acordo com um quarto aspecto, é fornecido um sistema supercondutor de alta temperatura, HTS, ímã compreendendo uma bobina de campo de HTS. A bobina de campo de HTS compreende uma pluralidade de voltas que compreende material de HTS e estabilizador metálico; e material condutor que conecta as voltas, de tal forma que a corrente pode ser compartilhada entre as voltas através do material condutor. O sistema magnético de HTS compreende ainda um sistema de proteção de quench e um ou mais sensores de campo magnético. O sistema de proteção de quench é configurado para monitorar as medições do campo magnético de um ou mais sensores de campo magnético; comparar as medições do campo magnético com um campo magnético esperado durante a operação normal do ímã; e em resposta a esta comparação, determinar se a bobina de campo está em condições de pré-quench.[0016] According to a fourth aspect, a high temperature superconducting, HTS, magnet system comprising an HTS field coil is provided. The HTS field coil comprises a plurality of turns comprising HTS material and metal stabilizer; and conductive material that connects the turns, such that current can be shared between the turns through the conductive material. The HTS magnetic system further comprises a quench protection system and one or more magnetic field sensors. The quench protection system is configured to monitor magnetic field measurements from one or more magnetic field sensors; compare magnetic field measurements with a magnetic field expected during normal magnet operation; and in response to this comparison, determine whether the field coil is in prequench condition.

[0017] De acordo com um quinto aspecto, é fornecido um tokamak compreendendo um sistema de ímã de HTS de acordo com o terceiro do quarto aspecto, em que uma bobina de campo toroidal ou bobina de campo poloidal do tokamak compreende a bobina de campo de HTS.[0017] According to a fifth aspect, there is provided a tokamak comprising an HTS magnet system according to the third of the fourth aspect, wherein a toroidal field coil or poloidal field coil of the tokamak comprises the HTS field coil. HTS.

Brief Description of the Drawings

[0018] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma fita de HTS;[0018] Figure 1 is a schematic diagram of an HTS tape;

[0019] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema su percondutor de ímãs;[0019] Figure 2 is a schematic diagram of a superconducting magnet system;

[0020] A Figura 3 é um diagrama esquemático de um sistema de ímãs supercondutores que compreende várias bobinas.[0020] Figure 3 is a schematic diagram of a superconducting magnet system comprising several coils.

Detailed Description

[0021] Bobinas parcialmente isoladas e não isoladas, ou seja, bo binas onde existe um caminho condutor (não supercondutor) entre as voltas que permite o fluxo de corrente radialmente entre as voltas, são geralmente resistentes à quenche (o ímã torna-se não supercondutor durante a operação) e a danos durante uma quench (uma vez que isto resulta em parte do arco entre as voltas em uma bobina isolada). No entanto, foi constatado que podem ocorrer danos significativos por quench em bobinas parcialmente e não isoladas devido aos grandes deslocamentos no campo magnético e à tensão resultante da transferência da corrente da trajetória espiral (isto é, no HTS da bobina) para a trajetória radial (isto é, diretamente através da conexão metálica ou do isolamento parcial). Isto é particularmente notável em sistemas de ímãs com múltiplas seções de bobina - por exemplo, conjuntos de bobinas de campo toroidal (TF) para tokamaks. Se um "membro" da bobina de TF sofre quench, então o desequilíbrio magnético resultante pode causar danos significativos a todo o conjunto de bobinas de TF devido às grandes forças desequilibradas.[0021] Partially insulated and non-insulated coils, that is, coils where there is a conductive (non-superconducting) path between the turns that allows current to flow radially between the turns, are generally resistant to quenching (the magnet becomes non-insulated). superconductor during operation) and to damage during a quench (as this results in part arcing between turns in an insulated coil). However, it has been found that significant quench damage can occur in partially and uninsulated coils due to the large shifts in the magnetic field and the voltage resulting from the transfer of current from the spiral path (i.e., in the HTS of the coil) to the radial path ( i.e. directly through the metallic connection or partial insulation). This is particularly notable in magnet systems with multiple coil sections - for example, toroidal field (TF) coil assemblies for tokamaks. If one "limb" of the TF coil experiences quench, then the resulting magnetic imbalance can cause significant damage to the entire TF coil assembly due to the large unbalanced forces.

[0022] Embora os grandes deslocamentos destrutivos de tensão e campo magnético sejam claramente um problema, a descrição abaixo propõe o uso dos menores deslocamentos de tensão e campo que ocorrem durante o início de uma quench devido à divisão da corrente entre as voltas para detectar a quench incipiente e fornecer aviso suficiente para descer com segurança o ímã e reduzir ou prevenir os danos causados pela quench. Em geral, a detecção de quench envolve a detecção de "condições "pre-quench"", ou seja, condições que podem causar uma quench, ou sinais tais como compartilhamento de corrente entre as bobinas ou pontos quentes dentro das bobinas que indicam que uma quench pode ocorrer em breve.0[0022] Although large destructive voltage and magnetic field shifts are clearly a problem, the description below proposes using the smaller voltage and field shifts that occur during the initiation of a quench due to current division between the turns to detect the incipient quench and provide sufficient warning to safely lower the magnet and reduce or prevent damage caused by the quench. In general, quench detection involves detecting "pre-quench conditions", that is, conditions that can cause a quench, or signals such as current sharing between coils or hot spots within the coils that indicate that a quench may occur soon.0

[0023] A detecção de quench pode ser realizada monitorando uma ou ambas as tensões em cada bobina do conjunto (e/ou em componentes estruturais próximos) ou o campo magnético próximo a cada bobina do conjunto. Em um exemplo amplo, as condições de pré- quench podem ser sinalizadas quando há qualquer desvio (por exemplo, maior que a precisão de medição dos extensômetros usados) das medições esperadas durante a operação com ímãs. Alternativamente, as condições de pré-quench podem ser sinalizadas quando qualquer desvio for maior que um limite (por exemplo, 1% maior que a medida esperada). Isto seria adequado para um sistema no qual o custo po-tencial de um número maior de paradas desnecessárias vale a pena suportar para economizar os custos potenciais de uma quench não controlada.[0023] Quench detection can be performed by monitoring one or both of the voltages in each coil in the assembly (and/or in nearby structural components) or the magnetic field near each coil in the assembly. In a broad example, prequench conditions can be signaled when there is any deviation (e.g. greater than the measuring accuracy of the strain gauges used) from the expected measurements during magnet operation. Alternatively, pre-quench conditions can be flagged when any deviation is greater than a threshold (e.g., 1% greater than the expected measurement). This would be suitable for a system in which the potential cost of a greater number of unnecessary stops is worth bearing to save the potential costs of an uncontrolled quench.

[0024] Alternativamente, o sistema de proteção de quench poderia ser configurado para responder apenas a certas medições pelos sensores de tensão e/ou campo, por exemplo, a um campo magnético perpendicular ao campo magnético da bobina durante operações normais (um campo "fora do eixo"), ou a uma tensão em um componente inesperado ou em uma direção inesperada (onde "inesperado" signifi-ca "não seria esperado durante a operação normal" - ou seja, pode ser esperado no caso de uma quench ou condições pré-quench).[0024] Alternatively, the quench protection system could be configured to respond only to certain measurements by the voltage and/or field sensors, e.g., to a magnetic field perpendicular to the coil's magnetic field during normal operations (an "outside" field). axis"), or to a voltage in an unexpected component or in an unexpected direction (where "unexpected" means "would not be expected during normal operation" - i.e., may be expected in the case of a quench or preconditions). -quench).

[0025] Em sistemas com várias bobinas, a detecção das condições de pré-quench em uma bobina pode ser baseada em mudanças na tensão dentro e ao redor de outra bobina do sistema - isto porque as mudanças no campo magnético da primeira bobina causarão mudanças no equilíbrio de forças nas outras bobinas do sistema. Isto se aplica se as múltiplas bobinas fazem parte do mesmo ímã (por exemplo, os membros individuais de um conjunto de bobinas de TF).[0025] In systems with multiple coils, detection of pre-quench conditions in one coil can be based on changes in voltage in and around another coil in the system - this is because changes in the magnetic field of the first coil will cause changes in the balance of forces in the other coils of the system. This applies if the multiple coils are part of the same magnet (for example, the individual members of a TF coil assembly).

[0026] O julgamento de "tensão/campo durante a operação nor mal" pode ser baseado na potência que está sendo fornecida atualmente à bobina - por exemplo, o sistema de proteção de quench pode receber como entrada os detalhes da corrente fornecida a cada bobina, determinar um modelo de tensão e/ou campo com base nessas correntes (por exemplo, por referência a uma tabela de ligação ou por cálculo em um modelo simples), e comparar as leituras dos sensores de tensão e/ou campo com o modelo de tensão e/ou campo. Conforme observado acima, as condições de pré-quench podem ser sinalizadas (e procedimentos de prevenção de quench, tais como a descida do ímã acoplado), seja para qualquer desvio significativo do modelo, seja para desvios de certos tipos - por exemplo, perpendicularmente ao campo/tensão esperado.[0026] The "voltage/field during normal operation" judgment can be based on the power currently being supplied to the coil - for example, the quench protection system can receive as input details of the current supplied to each coil , determine a voltage and/or field model based on these currents (e.g., by reference to a connection table or by calculation on a simple model), and compare the readings from the voltage and/or field sensors with the voltage model. voltage and/or field. As noted above, pre-quench conditions can be signaled (and quench prevention procedures such as coupled magnet lowering) either for any significant deviation from the model, or for deviations of certain types - for example, perpendicular to the expected field/voltage.

[0027] Em um sistema equilibrado de múltiplas bobinas, ou seja, um sistema no qual o padrão de tensão/campo magnético deve ser o mesmo para cada bobina durante a operação normal, a tensão/campo magnético esperado durante a operação normal que é usado para comparação pode ser baseado na tensão/campo magnético medido das outras bobinas - ou seja, o padrão de tensão esperado é que a tensão em cada bobina seja idêntica a dentro da faixa de precisão do medidor. Um padrão particular de desvios na tensão pode indicar condições de pré-quench - por exemplo, onde desvios iguais e opostos estão presentes nas duas bobinas de cada lado de uma bobina, com desvios iguais e opostos reduzidos nos próximos vizinhos mais próximos.[0027] In a balanced multiple-coil system, i.e., a system in which the voltage/magnetic field pattern must be the same for each coil during normal operation, the voltage/magnetic field expected during normal operation that is used For comparison it can be based on the measured voltage/magnetic field of the other coils - i.e. the expected voltage standard is that the voltage across each coil is identical to that within the meter's accuracy range. A particular pattern of deviations in voltage may indicate prequench conditions - for example, where equal and opposite deviations are present in the two coils on either side of a coil, with equal and opposite deviations reduced in the next nearest neighbors.

[0028] Considerações semelhantes aplicam-se a sistemas que não são totalmente balanceados, mas que têm simetria - por exemplo, onde um sistema de múltiplas bobinas tem dois conjuntos de bobinas que têm simetria refletiva uma com a outra, a tensão/azul magnético esperado pode ser baseado na tensão/campo magnético medido de cada bobina, com a expectativa de que o padrão de tensão/campo magnético também deve ter simetria refletiva.[0028] Similar considerations apply to systems that are not fully balanced but that have symmetry - for example, where a multiple coil system has two sets of coils that have reflective symmetry with each other, the expected voltage/magnetic blue can be based on the measured voltage/magnetic field of each coil, with the expectation that the voltage/magnetic field pattern should also have reflective symmetry.

[0029] Em uma bobina de TF típica de um pequeno tokamak esfé rico (raio maior de plasma de aproximadamente 1,5 m), a tensão esperada pode ser de até 0,25% (2500 microstensão), e a sensibilidade dos sensores de tensão pode ser melhor que 0,01 microstensão. Como tal, é possível uma determinação muito precisa e de alta resolução da tensão no ímã.[0029] In a typical TF coil of a small spherical tokamak (largest plasma radius of approximately 1.5 m), the expected voltage can be up to 0.25% (2500 microstrain), and the sensitivity of the sensors tension can be better than 0.01 microstrain. As such, a very accurate and high-resolution determination of the voltage on the magnet is possible.

[0030] A Figura 2 mostra um sistema de ímã supercondutor exemplar, em forma esquemática. O sistema de ímã compreende: uma bobina de campo de HTS 201, com estruturas de suporte 202; uma pluralidade de sensores de tensão 203 na bobina de campo de HTS 201 e as estruturas de suporte 202; uma pluralidade de sensores de campo magnético 204 po-sicionados para monitorar o campo magnético produzido pela bobina de campo de HTS 201; um sistema de proteção de quench 205 configurado para: monitorar as medidas dos sensores de tensão e sensores de campo magnético; comparar as medições monitoradas com um perfil de tensão esperado durante a operação normal e um perfil de campo magnético esperado durante a operação normal; determinar se a bobina de campo está ou não em condições de pré-quench com base nessa comparação.[0030] Figure 2 shows an exemplary superconducting magnet system, in schematic form. The magnet system comprises: an HTS field coil 201, with support structures 202; a plurality of voltage sensors 203 on the HTS field coil 201 and the support structures 202; a plurality of magnetic field sensors 204 positioned to monitor the magnetic field produced by the HTS field coil 201; a quench protection system 205 configured to: monitor measurements of voltage sensors and magnetic field sensors; compare the monitored measurements with a voltage profile expected during normal operation and a magnetic field profile expected during normal operation; determine whether or not the field coil is in prequench condition based on this comparison.

[0031] A Figura 3 mostra um sistema magnético de múltiplas bobinas, compreendendo uma pluralidade de bobinas 201 como mostrado na Figura 2 (com estruturas de suporte associadas 202, e sensores 203, 204). O sistema de proteção de quench 305 está configurado para: monitorar as medidas dos sensores de tensão e sensores de campo magnético; comparar as medições monitoradas com um perfil de tensão esperado durante a operação normal e um perfil de campo magnético esperado durante a operação normal; determinar se cada bobina de campo está ou não em condições de pré-quench com base nessa comparação, usando tanto os sensores em cada bobina de campo, quanto os sensores nas outras bobinas de campo.[0031] Figure 3 shows a multi-coil magnetic system, comprising a plurality of coils 201 as shown in Figure 2 (with associated support structures 202, and sensors 203, 204). The 305 quench protection system is configured to: monitor the measurements of voltage sensors and magnetic field sensors; compare the monitored measurements with a voltage profile expected during normal operation and a magnetic field profile expected during normal operation; determine whether or not each field coil is in prequench condition based on this comparison, using both the sensors on each field coil and the sensors on the other field coils.

[0032] Como explanado nos exemplos mais detalhados acima, o sistema magnético também poderia ser construído com apenas sensores de tensão ou apenas sensores de campo magnético, e com o sistema de proteção de quench configurado para considerar apenas tensão ou campo magnético (conforme o caso).[0032] As explained in the more detailed examples above, the magnetic system could also be built with only voltage sensors or only magnetic field sensors, and with the quench protection system configured to consider only voltage or magnetic field (as the case may be). ).

[0033] O sistema de proteção de quench pode ser ainda configura do para ativar alguma forma de prevenção ou mitigação de quench após a determinação de que a bobina de campo está em condições de pré- quench - por exemplo, para acionar o despejo da corrente magnética para uma massa fria, como, por exemplo, mudando para uma carga resis- tiva ou deliberadamente quenching uma grande parte do ímã.[0033] The quench protection system may further be configured to activate some form of quench prevention or mitigation upon determination that the field coil is in pre-quench condition - for example, to trigger current dump magnet to a cold mass, as, for example, by changing to a resistive load or deliberately quenching a large portion of the magnet.

Claims

1. Method of detecting conditions likely to cause a quench in a superconducting magnet comprising a plurality of HTS field coils, each field coil comprising: a plurality of turns comprising HTS material and metallic stabilizer; and a conductive material that connects the turns such that current can be shared radially between the turns through the conductive material; characterized by the fact that it comprises: monitoring the voltage and/or a magnetic field of each HTS field coil (201); compare the monitored voltage and/or magnetic field(s) of each HTS field coil (201) with the monitored voltage and/or magnetic field(s) of at least one other HTS field coil (201) of the plurality of HTS field coils; in response to said comparison, determine whether one or more HTS field coils are quenchable.

2. The method of claim 1, wherein determining whether one or more HTS field coils are capable of quenching comprises one or more of: determining that one of the HTS field coils is capable of quenching if the monitored voltage or magnetic field differs from the voltage or magnetic field of at least one other HTS field coil (201) by more than a threshold value; determine that one of the HTS field coils is susceptible to quench if the monitored voltage or magnetic field has a component perpendicular to the voltage or magnetic field of at least one other HTS field coil (201) with a magnitude greater than a threshold value .

3. Method according to claim 2, characterized by the fact that the or each threshold value is a predetermined proportion of the voltage or magnetic field of at least one other HTS field coil (201).

4. High temperature superconducting magnet system, HTS, comprising a plurality of HTS field coils, each HTS field coil comprising: a plurality of turns comprising HTS material and metal stabilizer; a conductive material that connects the turns so that current can be shared between the turns through the conductive material; the HTS magnet system, characterized by the fact that it further comprises a quench protection system (305) and a plurality of sensors (203, 204) comprising: one or more voltage sensors (203) located in each field coil of HTS (201) or on a structural support of each HTS field coil (201), and/or one or more magnetic field sensors (204) configured to monitor the magnetic field of each HTS field coil (201); wherein the quench protection system (305) is configured to: monitor voltage and/or magnetic field measurements for each HTS coil using the plurality of sensors (203, 204); comparing the voltage and/or magnetic field measurements for each HTS coil with the voltage and/or magnetic field measurements of at least one other HTS field coil (201) of the plurality of HTS field coils; in response to said comparison, determine whether one or more HTS field coils are quenchable.

5. The HTS magnet system of claim 4, wherein the conductive material is contained within a partially insulating layer comprising any of: an intermittent insulating layer; a semiconductor; a metal strip with an intermittent layer of insulation on each side; and a metal-insulator transition material.

6. Tokamak comprising an HTS magnet system as defined in claim 4, wherein the plurality of HTS field coils are toroidal field coils of the tokamak.